Книги / Основы теплотехники. Бойко Е.А. 2004 г

21

Всеверных районах, а в суровые зимы и в средней полосе нашей страны приходится бороться со смерзанием топлива в железнодорожных вагонах, прибывающих на станцию. Иногда топливо смерзается и в бункерах.

Таким образом, наличие в топливе влаги не только понижает его теплоту сгорания, но влияет и на другие его свойства.

Большое влияние на условия работы котла оказывает и содержащаяся в топливе зола. Большая зольность снижает теплоту сгорания топлива, соответственно увеличивает его расход и затраты на его перевозку. Значение имеет не только количество золы в угле, но и температура, при которой начинает эта зола размягчаться, из-за чего она может налипать на стенки труб в котле.

Значительную роль (особенно при наличии жидкого шлакаудаления) играет и другая характеристика золы – температура плавления.

Чем меньше в угле летучих, тем при более высокой температуре происходит его воспламенение.

Воспламеняемость твёрдых топлив не зависит от их теплоты сгорания. Наиболее трудновоспламеняемое топливо – антрацит – имеет весьма высокую теплоту сгорания.

Чем меньше воспламеняемость твёрдого топлива, тем тоньше его нужно размалывать в мельницах. Тонкость помола определяют просеиванием пробы угольной пыли через специальные металлические сита.

ВРоссии тонкость помола характеризуется остатком на сите, имеющим отверстия размером 90 мкм (0,09 мм).

При размоле антрацита требуется, чтобы остаток на этом сите не превышал 6–10% веса просеянного топлива. При более грубом помоле антрацита может возрасти потеря тепла от недожога. Недопустим и слишком тонкий помол, при котором условия горения для большинства топлив мало улучшаются, но увеличивается затрата электроэнергии на их помол.

Для сжигания тощих топлив (углей) нормальной считается тонкость по-

мола, характеризуемая 12% остатка на сите R90. для углей имеющих более высокое содержание летучих веществ и лучшую воспламеняемость, допустим ещё более грубый помол – до 40-50% остатка на этом сите.

Упомянем ещё об одной характеристике топлива – размолоспособности, определяемой обычно размолом пробы угля в специальных лабораторных мельницах.

Наиболее твердым из топлив, т. е. топливом с наихудшей размолоспособностью, является донецкий антрацит.

Коэффициент размолоспособности показывает, во сколько раз произ-

водительность мельницы при размоле данного угля больше, чем при размоле антрацита, коэффициент размолоспособности которого принят условно за единицу (сравнивается подсушенное топливо при одинаковой тонкости помола).

Коэффициент размолоспособности не зависит от возраста топлива и содержания в нём летучих.

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

22

Например, по данным ВТИ для челябинского бурого угля он колеблется от 1,02 до 1,33 для подмосковного бурого угля он равен 1,75, для кизеловского каменного угля 1,0, для донецкого тощего угля-1,9 .

2.5.3. Классификация и условные обозначения углей

Ископаемые угли делят на три основных типа – на антрациты, каменные и бурые угли. Переходным типом между антрацитом и каменным углями является полуантрацит.

Антрациты отличаются малым содержанием летучих веществ (до 9% на горючую массу). Каменные угли с содержание летучих от 9 до 17; называют тощими, а при количестве летучих свыше 37% – длиннопламенными. Бурые угли отличаются от каменных не столько цветом, сколько пониженной теплотой сгорания.

Мелким называют твердое топливо с кусками размером 13-25 мм, семечком с кусками от 6 до 13 мм и штыбом – менее 6 мм. рядовой штыб может иметь куски различной величины, но менее 100 мм.

Отдельные сорта угля принято условно обозначать буквами. Тощий уголь обозначают буквой Т, длиннопламенный – Д, газовый – Г, бурый – Б, антрацит – А.

К условному обозначению сорта угля часть добавляют вторую букву, характеризующую крупность его кусков и другие особенности. Например, бурый крупный уголь, обозначают БК, весьма распространённый антрацитовый штыб – АШ, паровичный жирный уголь – ПЖ и т. д.

Иногда применяют и более сложные обозначения например, антрацит рядовой со штыбом – АРШ, антрацит семечко с штыбом – АСШ.

2.5.4. Характеристика мазута

Поступающий на электростанции мазут получается на нефтеперерабатывающих заводах в результате смешения различных остаточных нефтепродуктов. Характеристики мазута зависят не только от свойств сырой нефти, но и от условий работы нефтеперерабатывающих заводов.

На электростанциях применяют мазут марок 40, 100, 200. эти марки характеризуют исчисляемую в градусах Энглера условную вязкость мазута (ВУ) при температуре 50 оС. с повышением температуры вязкость мазута быстро уменьшается. Поступая в топку котла при 80 оС мазут марки 40 имеет Ву, равную 8,0, у мазута марки 100ВУ равна 15,5о. Наиболее вязкий мазут марки 200 должен нагреваться до большей температуры и при 100оС имеет ВУ от 6,5 до 9,5о. Такой мазут направляют на электростанции преимущественно по трубопроводам прямо от нефтеперерабатывающих заводов.

Большое влияние на работу котлов может оказывать даже небольшое количество содержащихся в мазуте вредных примесей – золы, серы и металла ванадия.

Так, увеличение зольности мазута от 0, 15 до 0,30% приводило к сокращению более чем в 2 раза продолжительности безостановочной работы кот-

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

23

лов до их очистки (их компании). Сера и ванадий способствуют разрушению (коррозии) отдельных стальных элементов котлов.

У малосернистого (содержащего до 0,5 серы) мазута марки 100 низшая теплота сгорания должна быть близкой к 9650 ккал/кг, а у высокосернистого, имеющего от 2 до 3,5 % серы, -близкой к 9500 ккал/кг.

2.6. Вода и водяной пар

Природная вода. Поступающая на электростанцию вода из реки, пруда или озера всегда содержит в себе некоторое количество различных примесей. Часть этих примесей растворена в воде (например, поваренная соль, соли кальция и магния, а также газообразные составляющие – кислород, углекислота и др.), другие вещества взвешены в воде в виде мелких твёрдых частиц, причём некоторые частицы настолько малы, что проходят через обычный механический фильтр. Таковы, например, многие органические вещества, являющиеся продуктом распада растительных и животных организмов.

Состав природных вод весьма разнообразен и зависит не только от того, используется ли на данной электростанции вода из реки, озера или водохранилища, но и от того, между какими горными породами протекают реки и какие вещества они вымывают, находятся ли вверх по течению фабрики, шахты, другие производства, сбрасывающие в реку свои отработавшие воды.

Так, например, количество взвешенных и растворённых веществ очень мало в р. Неве, вода которой отстаивается последовательно в Онежском и Ладожском озёрах.

Много минеральных веществ содержится в природных водах Донбасса, что объясняется наличием в почве мела и гипса. Вода рек Закавказья, текущих с гор и питающихся тающим снегом, содержит мало растворённых веществ.

Но эти реки текут с большой скоростью и увлекают с собой большое количество твердых частиц из горных пород, по которым они протекают.

В России ведётся активная борьба с загрязнением рек и озёр отходами промышленных предприятий. Опасное загрязнение воды может быть вызвано неправильными действиями работников котельного цеха электростанции (например, при сбросе в реку отходов химической очистки котла.)

Питательная и котловая вода. Природную воду подвергают на электростанции или где-то в другом месте специальной обработке в водоочистительных аппаратах. Взвешенные в воде вещества обычно почти полностью улавливаются в фильтрах и отстойниках, но значительное количество растворённых веществ (солей) может иметься в воде и после её очистки.

Вода, поступающая в котёл, называется питательной водой. С водой в котёл непрерывно вносится некоторое количество растворённых солей и взвешенных твёрдых частиц, в том числе окислов железа и меди, образующихся в результате ржавления (коррозии) оборудования на самой электростанции.

Условия перемещения внутри котла солей и взвешенных частиц могут быть различными и зависят прежде всего от того, в какого типа котёл они попадают. В прямоточном котле (см. рис. 6-в) нет движения воды по замкнуто-

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

24

му пути (циркуляции) и эти вещества движутся вместе с водой до её полного превращения в пар. Часть их уносится из котла с паром, а остальное их количество оседает на внутренней поверхности труб котла.

Чтобы избежать быстрого роста толщины слоя такого осадка, а также не допускать отложения его в паровой турбине, нужно следить за тем, чтобы содержание веществ в питательной воде прямоточных котлов не превышало норм указанных и узаконенных нормами.

Вода, находящаяся в барабанном котле (рис.6, а и б) и циркулирующая при его работе по замкнутому пути, называется котловой водой.

Обычно в барабанном котле лишь весьма малая часть солей уносится паром. Основное количество солей и почти все твёрдые частицы задерживаются в котле, из-за чего их содержание в котловой воде постепенно увеличивается. Если не удалять из котла часть воды, то солесодержание котловой воды может возрасти до опасных пределов. Поэтому часть воды (обычно 0,5 – 5%) удаляют из котла посредством непрерывной продувки.

Схемы основных типов котлов докритического давления

Рис. 6

а и б – соответственно котлы с естественной и принудительной циркуляцией воды; в – прямоточный котёл Рамзина: 1 – барабан; 2 – пароперегреватель; 3 – экономайзер; 4 – трубчатый воздухоподореватель; 5 – необогреваемые водоопускные трубы; 6 – экранные испарительные трубы; 7 – конвективный трубный пакет (пучок) 8 – циркуляционный насос; 9 – переходная зона котла Рамзина; 10 – испарительные трубы (радиационная часть) котла Рамзина.

Назначение непрерывной продувки состоит, следовательно, в поддержании требуемого солесодержания котловой воды.

Кроме непрерывной продувки, производится периодическая продувка воды для удаления оседающих в нижней части котла твёрдых взвешенных частиц.

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

25

Накипь. Почти в каждой реке вода встречает на своём пути разнообразные известковые горные породы – мел, гипс, известковый шпат и прочее.

Эти и многие другие породы содержат окислы кальция и магния. Соприкасаясь с речной водой и растворяясь в ней, они образуют различные, но сходные по своему действию соли, именуемые солями жесткости.

Вследствие этого на внутренней поверхности наиболее обогреваемых труб котла появляется твердый нерастворимый осадок, именуемый накипью.

Как правило, накипь очень плохо проводит тепло. Покрытая изнутри слоем накипи и поэтому недостаточно охлаждаемая труба в паровом котле нагревается до высокой температуры, теряет свою прочность и может быть разрушена внутренним давлением.

Толщина накипи различного вида, при которой одинаково повышается температура стенки обогреваемой трубы

Рис. 7

Сравнение различных видов накипи показано на рис. 7 Тонкий слой кремниевой (силикатной) накипи или накипи, загрязнённой маслом, равнозначен по своему действию более толстому слою гипсовой накипи.

Современный барабанный котёл должен работать таким образом, чтобы накипь в его трубах совсем не образовывалась. В прямоточных котлах допустимой считается лишь ничтожная толщина слоя накипи.

Образование накипи предотвращается различными мероприятиями. Предварительная очистка воды. Почти на всех электростанциях ос-

новной частью питательной воды является конденсат, возвращаемый из паро-

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

26

вых турбин и теплообменных аппаратов. В этом конденсате соли обычно почти отсутствуют. Исключением являются случаи, когда в конденсаторе турбины возникают неплотности, сквозь которые просачивается небольшое количество охлаждающей воды из реки или пруда. На всех тепловых электростанциях качество систематически контролируется. У большинства энергоблоков сверхкритического давления, у которых загрязнение питательной воды приводит к наиболее опасным последствиям, конденсат очищают на пути в котёл

(рис. 8).

Упрощённые схемы движения солей в воде и паре на электростанции

Рис. 8

а – при подаче в котел добавки очищенной воды; б – при очистке всего конденсата турбины ( в энергоблоке свехкритического давления); А – подача сырой воды из реки; Б – добавляемые растворы поваренной и других солей ; В – сброс в реку отделяемых солей; Г – поток химически очищенной воды; Д – конденсат; Е – линия фосфатирования; Ж – непрерывная продувка; И – периодическая продувка; К – питательный трубопровод; Л – паропровод от котла к турбине: 1 – водоочистительные фильтры (осветлительные, катионитные и др.); 2 – обессоливающая установка; 3 – экономайзер;4 – барабан котла; 5 – паровая турбина; 6 – конденсатор турбины; 7 – фосфатный насос

Кроме конденсата в котлы вводится дополнительная вода, восполняющая её потерю на электростанции. Эта добавка очень мала на конденсационных станциях, но может быть значительной на теплоэлектроцентралях, где большое количество пара отдаётся потребителям безвозвратно.

Как правило, соли жёсткости и другие вещества, способные образовывать накипь, почти полностью улавливаются из воды в водоочистительных фильтрах.

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

28

Подавать фосфаты в барабан котла лучше всего специальным насосом. Разведённые в воде фосфаты поступают в насос самотёком из бака. Давление, создаваемое насосом, должно быть выше давления в котле.

У прямоточных котлов вода фосфатированию не подвергается. Таким образом, для предотвращения образования в барабанном котле слоя накипи необходимы: обработка природной воды до подачи её в котёл и удаление из неё солей жёсткости, а также других вредных солей: фосфатирование котловой воды для превращения в шлам небольшого количества прошедших в котёл солей жесткости; непрерывная продувка для удаления из котла излишка солей и периодическая продувка шлама из нижних элементов котла.

Для прямоточных котлов необходимы тщательная очистка от солей питательной воды и периодическая внутренняя промывка котлов.

Кремниевая кислота. Кроме описанных выше солей жёсткости питательная вода котлов может быть загрязнена и другими веществами.

Из них большую опасность могут представлять кремниевые соли, образующиеся при растворении в природной воде различных горных пород.

Кремниевые соли могут выпадать в котле в виде накипи, которая считается одной из самых опасных.

Но эксплуатацию электростанций высокого давления осложняет другое свойство кремниевых солей.

При давлении в котле свыше 60–70 кгс/см2 некоторое количество этих солей и прежде всего кремниевая кислота уносятся паром, причём унос кремниевой кислоты при 115 кгс/см2 достигает примерно 1% ее содержания в котловой воде. С повышением давления унос кремниевой кислоты возрастает.

Кремниевая кислота, находясь в паре, свободно проходит через пароперегреватель, но оседает на рабочих лопатках турбины при охлаждении в ней пара.

По мере роста толщины отложений мощность турбины постепенно снижается, иногда на 5–10%. Снижается также и экономичность работы турбины. Таким образом, кремниевая кислота безвредна для котла но может нарушить работу всей электростанции.

Снижение содержания кремниевых солей в питательной воде осуществляется в испарительной и обессоливающей установках, а в паре – при его прохождении внутри барабана котла через слой питательной воды (рис. 9 и 10).

Концентрация солей. Содержание (концентрацию) в питательной и котловой воде различных солей обычно характеризуют количеством миллиграмм растворённого вещества на 1 л или 1 кг раствора.

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

29

Внутрибарабанные устройства с пароосушительными циклонами

Рис. 9

1 – барабан; 2 – короб для вводимой в барабан пароводяной смеси; 3 – циклон; 4 –крышка циклона; 5 – поддон циклона; 6 – труба, подающая питательную воду; 7 – раздающий короб питательной воды; 8 – промывочный щит; 9 – насадка, отводящая воду мимо промывочных щитов; 10 – труба для слива питательной воды; 11 – верхний дырчатый лист; 12 – труба для подачи фосфатов; 13 – труба для парового разогрева барабана при растопке котла; 14 – труба аварийного сброса воды; 15 – средний уровень воды; 16 – вывод насыщенного пара; 17 –

водоопускные трубы экранов

Если, например, указывают, что концентрация натриевых или иных солей к котловой воде равна 50 мг/л, то это значит, что в каждом литре котловой воды содержится 50 мг соответствующих солей. Иногда стремятся характеризовать одним числом содержание в воде различных солей, имеющих сходные свойства. Это относится, например, к различным солям жёсткости. Второй такой характеристикой общей для различных солей, является щёлочность воды, которая определяется количеством соляной кислоты, расходуемой на нейтрализацию содержащихся в воде щелочных солей. Если щелочность котловой воды равна нулю, такая вода разрушает металл как слабая кислота. Наличие щёлочности у котловой воды обязательно.

© Бойко Е.А. Основы теплотехники

30

Схема движения питательной воды в барабане котла

Рис. 10.

1 – труба, по которой питательная вода направляется на дырчатый лист 2 для промывки пара; 3 – труба для подачи питательной воды в водяное пространство барабана (трубы 1 и 3 изображены смещенными относительно друг друга); 4 –короб для слива воды с дырчатого листа (короб на противоположной стороне барабана условно не показан); 5 – водоопускная труба экрана; 6 – отвод пара из барабана; 7 – воронка; СУВ – средний уровень воды в бара-

бане

Щёлочность и жёсткость воды измеряют в миллиграммах эквивалента на 1 л или на 1 кг раствора (мг-экв/л и мг-экв/кг). 1 мг-экв/л жёсткости соответствует содержание в воде 28 мг/л окиси кальция либо 20,2 мг/л окиси магния и т. д. Если, например, указывают, что жёсткость воды составляет 0,3 мг-экв/л, то это значит, что соответствующее количество разных солей может произвести то же суммарное химическое действие, что и 8,4 мг/л окиси кальция.

Очень малое содержание веществ в воде и паре измеряют в микрограммах и микрограмм-эквивалентах. Микрограмм (мкг) равен одной миллионной части грамма. Например, щелочность пара 50 микрограмм-эквивалентов на 1 кг (50 мкг-экв/кг) равна 0,05 мг-экв/кг.

Показатель рН. Этот показатель характеризует степень щелочности или кислотности воды. Считают, что концентрированная сильная кислота имеет рН = 0.

У нейтральной, т.е. лишенной как щелочности, так и кислотности воды рН = 7,0, а у концентрированной щелочи – до 14.

Таким образом, например, показатель рН = 6,0 характеризует слабо подкислённую воду, при рН = 9,5 вода умеренно щелочная и т. д.

© Бойко Е.А. Основы теплотехники